高壩消力塘防護(hù)結(jié)構(gòu)耦合動(dòng)力分析與健康診斷研究.pdf

1、高壩消力塘作為防護(hù)下游河床的結(jié)構(gòu)，其自身在高速水流沖擊下的安全性是實(shí)現(xiàn)消能和防沖目的的關(guān)鍵所在，國內(nèi)外都不乏破壞的實(shí)例。高壩消力塘防護(hù)結(jié)構(gòu)的工作和破壞機(jī)理十分復(fù)雜，是高速水流水動(dòng)力特性與防護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性耦合作用的結(jié)果。本文結(jié)合模型試驗(yàn)、原型觀測(cè)和數(shù)值分析，研究了高壩消力塘水動(dòng)力荷載特性，進(jìn)行了耦合動(dòng)力分析的數(shù)值模擬方法研究，揭示了消力塘防護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)、工作機(jī)理及失穩(wěn)的動(dòng)力過程。主要研究內(nèi)容包括： ⑴引用水躍和沖擊射流的

2、研究成果，詳細(xì)分析了底流和挑跌流消力塘內(nèi)的水流流態(tài)特征，探討了這兩種型式消力塘內(nèi)時(shí)均壓力和脈動(dòng)壓力的分布規(guī)律。 ⑵開展板塊之間、板塊與基巖間縫隙脈動(dòng)壓力傳播規(guī)律研究，著重研究了縫隙寬度對(duì)脈動(dòng)壓強(qiáng)的影響。 ⑶開展止水破壞情況下底部滲壓與表面動(dòng)水壓力的耦合作用機(jī)理研究，分析了滲壓耦合作用對(duì)板塊下表面不同區(qū)域時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)、脈動(dòng)壓強(qiáng)的影響，并研究了不同止水破壞方式板塊上舉力的變化情況。 ⑷探討了挑跌流和底流消力塘內(nèi)板塊及

3、邊坡的最大上舉力的預(yù)報(bào)方法；系統(tǒng)分析了水流脈動(dòng)壓力相關(guān)尺度、消力塘底板尺寸、上下表面脈動(dòng)壓力的相關(guān)特性對(duì)底板水流上舉力的影響，基于此對(duì)消力塘底板塊尺寸優(yōu)選進(jìn)行了研究，并對(duì)透水底板上舉力降低的原因進(jìn)行了初步分析。 ⑸分析了消力塘底板的失穩(wěn)破壞過程、穩(wěn)定性計(jì)算模式及它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，并對(duì)消力塘底板穩(wěn)定性的控制指標(biāo)進(jìn)行了研究。 ⑹對(duì)高壩水墊塘防護(hù)結(jié)構(gòu)泄洪振動(dòng)進(jìn)行了原型觀測(cè)，全面分析防護(hù)結(jié)構(gòu)正常工作狀態(tài)下的動(dòng)力響應(yīng)特性。

4、 ⑺分析了水墊塘底板失穩(wěn)破壞各個(gè)階段的動(dòng)位移響應(yīng)特性，提出可以利用底板動(dòng)位移響應(yīng)來識(shí)別水墊塘防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。基于粘結(jié)滑移、非線性接觸及流固耦合理論，建立水墊塘底板、水體、基巖、錨固鋼筋的耦合有限元模型，計(jì)算不同破壞狀態(tài)下底板塊的極限動(dòng)位移，結(jié)合原型觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行動(dòng)位移響應(yīng)特性的分析，從而對(duì)水墊塘底板的穩(wěn)定性進(jìn)行識(shí)別。 ⑻計(jì)算了水墊塘底板振動(dòng)信號(hào)的正常盒維數(shù)區(qū)間和動(dòng)力失穩(wěn)過程不同階段的盒維數(shù)變化，并且結(jié)合時(shí)域、幅值域、頻域分析方

5、法，對(duì)水墊塘底板振動(dòng)特征進(jìn)行了分析與比較，結(jié)果顯示分形維數(shù)對(duì)于水墊塘底板泄洪振動(dòng)異常情況很靈敏。利用分形盒維數(shù)對(duì)水墊塘底板振動(dòng)的主要故障信號(hào)進(jìn)行了分析與識(shí)別，明確了分形維數(shù)與故障特征之間的內(nèi)在聯(lián)系。 ⑼通過對(duì)模型實(shí)驗(yàn)、原型觀測(cè)、耦合動(dòng)力數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行綜合歸納分析，將力學(xué)分析結(jié)果、專家經(jīng)驗(yàn)、人工智能（AI）技術(shù)有機(jī)融合，提取與防護(hù)結(jié)構(gòu)破壞相關(guān)的敏感特征量，建立高壩泄洪防護(hù)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控的理論模型、監(jiān)控指標(biāo)，構(gòu)建高壩消力塘防護(hù)結(jié)構(gòu)的